城市轨道交通传感器与检测技术（第二版）课件：湿敏传感器

湿

敏

传

感

器地铁大多在地下运营，通风不畅，而且地铁人流量大，造成地铁的隧道内和站台的湿度特别大，远大于国家湿度二级标准的相对湿度RH值。湿度过高会造成很多问题，比如地铁运行电子电气设备房的湿度过高、会引起电器短路问题。如果隧道工程的巷道湿度过高、冷凝水形成壁露水滴，导致无法施工或影响工期的问题。所以有效控制地铁空间的相对湿度，不仅可以让车站环境始终处于较为舒适的环境之中，而且可以确保工程施工的质量和地铁运营的安全。所谓湿度，是指大气中水蒸气的含量。它通常有如下几种表示方法：绝对湿度（AH）相对湿度（%RH）3.露点

一.

湿度的定义及其表示方法

绝对湿度是指单位体积空气内所含水蒸气的质量，其数学表达式为：

绝对湿度给出了水分在空气中的具体含量。1.绝对湿度（AH）

相对湿度是指待测空气中实际所含的水蒸气分压与相同温度下饱和水蒸气压比值的百分数。其数学表达式为：

相对湿度给出了大气的潮湿程度。实际中常用。2.相对湿度（RH）在一定大气压下，将含有水蒸气的空气冷却，当温度下降到某一特定值时，空气中的水蒸气达到饱和状态，开始从气态变成液态而凝结成露珠，这种现象称为结露，这一特定温度就称为露点温度。在一定大气压下，湿度越大，露点越高；湿度越小，露点越低。3.露点（温度）湿敏传感器是能感受外界湿度变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将湿度转换成可用信号的器件或装置。

二.

湿敏传感器的基本原理

水分子易于吸附在固体表面并渗透到固体内部，这种特性称为水分子亲和力特性。

水分子亲和力型湿度传感器就是利用水分子吸附和渗透后引起一些物质的感湿特征量（如电阻值、电容值等）发生变化而制成的。

水分子亲和力型湿敏传感器可分为电阻式湿敏传感器和电容式湿敏传感器。

电阻式湿敏传感器是利用水分子吸附和渗透后引起一些物质的电阻值发生变化而制成的，常见的有电解质式、陶瓷式和高分子式三类。

电容式湿敏传感器是利用水分子作用后引起一些物质的介电常数发生变化而制成的，常见的有陶瓷式和高分子式两类。1.水分子亲和力型湿敏传感器

利用物理效应制成，与水分子亲和力无关的湿度传感器称为非水分子亲和力型湿敏传感器。常见的有热敏电阻式、红外吸收式、超声波式和微波式湿敏传感器。

水分子亲和力型湿敏传感器，因为响应速度低、可靠性较差，不能很好地满足人们的需要。随着其他技术的发展，现在人们正在开发非水分子亲和力型的湿敏传感器。例如，利用微波在含水蒸气的空气中传播，水蒸气吸收微波使其产生一定损耗而制成的微波湿敏传感器。又如，利用水蒸气能吸收特定波长的红外线这一现象构成的红外湿敏传感器等。它们都能克服水分子亲和力型湿敏传感器的缺点。因此，开发非水分子亲和力型湿敏传感器是湿敏传感器重要的研究方向。2.非水分子亲和力型湿敏传感器电解质式电阻湿敏传感器的典型代表是氯化锂湿敏电阻，它是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化（即吸湿后氯化锂电阻变小；在干燥环境下又会脱湿，电阻变大）而制成的测湿元件。

它由引线、基片、感湿层和电极组成。感湿层是在基片上涂敷的按一定比例配制的氯化锂—聚乙烯醇混合溶液。

三.

常见湿敏传感器1.电解质式电阻湿敏传感器氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体，在氯化锂（LiCl）溶液中，Li和Cl均以正负离子的形式存在，而Li＋对水分子的吸引力强，离子水合程度高，其溶液中的离子导电能力与浓度成正比。当溶液置于一定温湿场中，若环境相对湿度高，溶液将吸收水分，使浓度降低，因此，其溶液电阻率增高。反之，环境相对湿度变低时，则溶液浓度升高，其电阻率下降，从而实现对湿度的测量。图中吸湿和脱湿曲线不重合，是因为湿敏元件吸湿和脱湿的响应时间是不相同的，一般总是脱湿比吸湿滞后，这种现象称为湿滞现象，吸湿和脱湿曲线所构成的同线称为湿滞回线。在湿滞回线上对于同一相对湿度下的不同感湿特征量的最大差值称为湿滞回差。一般高湿时的回差比低湿时大。氯化锂湿敏元件的优点：滞后小，不受测试环境风速影响，检测精度高达±５%缺点：耐热性差，不能用于露点以下测量，器件性能重复性不理想，使用寿命短

通常，用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成为多孔陶瓷。这些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等，前三种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称为负特性湿敏半导体陶瓷，最后一种的电阻率随湿度增加而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷。2.陶瓷式电阻湿敏传感器

（1）

负特性湿敏半导体陶瓷的导电机理由于水分子中的氢原子具有很强的正电场，当水在半导瓷表面吸附时，就有可能从半导瓷表面俘获电子，使半导瓷表面带负电。如果该半导瓷是Ｐ型半导体，则由于水分子吸附使表面电势下降，将吸引更多的空穴到达其表面，其表面层的电阻下降若该半导瓷为Ｎ型，则由于水分子的附着使表面电势下降，如果表面电势下降较多，不仅使表面层的电子耗尽，同时吸引更多的空穴达到表面层，有可能使到达表面层的空穴浓度大于电子浓度，出现所谓表面反型层，这些空穴称为反型载流子。它们同样可以在表面迁移而表现出电导特性，使N型半导瓷材料的表面电阻下降

不论是Ｎ型还是Ｐ型半导体陶瓷，其电阻率都随湿度的增加而下降。几种负特性半导体陶瓷式湿敏传感器感湿特性

（2）正特性湿敏半导瓷的导电机理

正特性湿敏半导瓷的导电机理的解释可以认为这类材料的结构、电子能量状态与负特性材料有所不同。当水分子附着半导瓷的表面使电势变负时，导致其表面层电子浓度下降，但这还不足以使表面层的空穴浓度增加到出现反型程度，此时仍以电子导电为主。于是，表面电阻将由于电子浓度下降而加大，这类半导瓷材料的表面电阻将随湿度的增加而加大。通常湿敏半导瓷材料都是多孔的，表面电导占的比例很大，故表面层电阻的升高，必将引起总电阻值的明显升高。Fe3O4半导瓷的正湿敏特性

几种典型陶瓷湿敏传感器（1）MgCr2O4-TiO2陶瓷式湿敏传感器

氧化镁复合氧化物-二氧化钛湿敏材料通常制成多孔陶瓷型“湿—电”转换器件，它是负特性半导瓷，MgCr2O4为Ｐ型半导体，它的电阻率低，阻值温度特性好。（2）ZnO-Cr2O3陶瓷式湿敏传感器ZnO-Cr2O3湿敏元件的结构是将多孔材料的金电极烧结在多孔陶瓷圆片的两表面上，并焊上铂引线，然后将敏感元件装入有网眼过滤的方形塑料盒中用树脂固定。这种传感器能连续稳定地测量湿度，无需加热除污装置，功耗低、体积小、成本低，是一种常用的测湿传感器。陶瓷式电阻湿敏传感器的特点

传感器表面与水蒸气的接触面积大，易于水蒸气的吸收与脱却；陶瓷烧结体能耐高温，物理、化学性质稳定，适合采用加热去污的方法恢复材料的湿敏特性；可以通过调整烧结体表面晶粒、晶粒界和细微气孔的构造，改善传感器湿敏特性。

此电桥测量法适合于氯化锂湿度传感器。图中振荡器对电路提供交流电源，电桥的一臂为湿度传感器，由于湿度变化使湿度传感器的阻值发生变化，于是电桥失去平衡，产生信号输出，放大器可把不平衡信号加以放大，整流器将交流信号变成直流信号，由直流毫安表显示。振荡器和放大器都由9V直流电源供给。

四.

湿敏传感器的测量电路1.电桥测量电路此电路适用于可以流经较大电流的陶瓷湿度传感器。由于测湿电路可以获得较强信号，故可以省去电桥和放大器，可以用市电作为电源，只要用降压变压器即可。

2.欧姆定律测量电路在需要精确测量湿度的场合，必须加入线性化电路，使传感器测量电路的输出信号转换成正比于湿度变化的电压。在实际应用中，还要考虑温度补偿。

3.带温度补偿的湿度测量电路五.

湿敏传感器的应用将湿敏传感器输出的电压信号分成三路，分别接在电压比较器A1的反相输入端、电压比较器A2的同相输入端和显示器的正输入端，A1和A2由可调电阻RP1和RP2根据设定值调到适当的位置。

当房间内湿度下降时，传感器的输出电压下降，当降到A1设定数值时，A1同相输入端电压高于反相输入端电压，因此输出高电平，使V1导通，LED1发出绿光，表示空气干燥，继电器J1吸合接通加湿器。

当房间内相对湿度上升时